微控制器(MCU)的基本架構介紹

2023-04-28 來源：作者：深圳市中電網絡技術有限公司

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Microcontroller(微控制器)又可簡稱MCU或μC，也有人稱為單芯片微控制器(Single Chip Microcontroller)，將ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一個芯片中，為不同的應用場合做不同組合控制。微控制器在經過這幾年不斷地研究，發展，歷經4位，8位，到現在的16位及32位，甚至64位。產品的成熟度，以及投入廠商之多，應用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠因開發較早，產品線廣，所以技術領先，而本土廠商則以多功能為產品導向取勝。但不可諱言的，本土廠商的價格戰是對外商造成威脅的關鍵因素。

由于制程的改進，8位MCU與4位MCU價差相去無幾，8位已漸成為市場主流；針對4位MCU，大部份供貨商采接單生產，目前4位MCU大部份應用在計算器、車表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD Player、LCD驅動控制器、LCD Game、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等；8位MCU大部份應用在電表、馬達控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器（Caller ID）、電話錄音機、CRT Display、鍵盤及USB等；16位MCU大部份應用在行動電話、數字相機及攝錄放影機等；32位MCU大部份應用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機；64位MCU大部份應用在高階工作站、多媒體互動系統、高級電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級終端機等。　

微控制器(MCU)的基本架構介紹

而在MCU開發方面，以架構而言，可分為兩大主流；RISC(如HOLTEK HT48XXX系列)與CISC(如華邦W78系列)。 RISC (Reduced Instruction Set Computer) 代表MCU的所有指令都是利用一些簡單的指令組成的，簡單的指令代表 MCU 的線路可以盡量做到最佳化，而提高執行速率，相對的使得一個指令所需的時間減到最短。HOLTEK的HT46XX(A/D MCU系列) HT47XX(R to F MCU系列) HT48XX(一般I/O MCU系列) HT49XX(LCD MCU系列) 便是采用 RISC 結構來設計。不管是 RISC 或是 CISC(Complex Instruction Set Computer)，設計MCU的目的便是為人類服務的，對于 RISC 來說，因為指令集的精簡，所以許多工作都必須組合簡單的指令，而針對較復雜組合的工作便需要由『編譯程序』(compiler) 來執行，而 CISC MCU因為硬件所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個或是數個指令來代替，compiler 的工作因而減少許多。

以一個數值運算程序來說，使用 CISC 指令集的MCU運算對于一個積分表達式可能只需要十個機器指令，而 RISC MCU在執行相同的程序時，卻因為CPU 本身不提供浮點數乘法的指令，所以可能需要執行上百個機器指令 (但每一個指令可能只需要 CISC 指令十分之一的時間)，而由程序語言轉換成機器指令的動作是由程序語言的 Compiler 來執行，所以在 RISC MCU的Compiler 便會較復雜。因為同樣一個高級語言 A=B*C 的運算，在 RISC MCU轉換為機器指令可能有許多種組合，而每一種組合的『時間/空間』組合都不盡相同。所以 RISC 與 CISC 的取舍之間，似乎也是MCU硬件架構與軟件(Compiler) 的平衡之爭，應該沒有絕對優勢的一方，只能說因應不同的需求而有不同的產品，例如工作單純的打印機核心 MCU，便適合使用效能穩定，但單位指令效率較佳的 RISC MCU。　